Vorrichtung zum elektroinduktiven Erhitzen von Werkstücken. Beim elektroinduktiven Erhitzen von Werkstücken, sei es zum Zweck, diese nur oberflächlich oder durchgehend auf be stimmte Temperatur zu bringen, sind in gro ssen Zügen gesehen zwei Verfahren möglich und auch bereits angewendet worden. Es können nämlich entweder Heizeinrichtung und Werkstück während des Aufheizens ruhen oder beide können eine Relativbewe- gung in bezug aufeinander ausführen.
Was das Verfahren anbelangt, bei welchem eine Relativbewegung zwischen Werkstück und Heizeinrichtung stattfindet, so hat sich die ses dort eingeführt, wo es sich darum han delte, Werkstücke mit Abmessungen zu be handeln, deren Ausdehnung grösser ist als die Fläche, die vom Induktor überdeckt werden kann.
Das Verfahren, bei welchem das Auf heizen von der Oberfläche ausgeht, ist ein kontinuierlich fortschreitendes, das heisst die Wanderungsgeschwindigkeit der Heizeinrich- tung, bezogen auf die Oberfläche des Werk stückes, wird so eingestellt, dass jeweils beim Verlassen eines bestimmten Werkstückab schnittes dieser auf die gewünschte Tem peratur gebracht ist und sofern der Zweck des Aufheizens ein oberflächliches Härten ist, er folgt unmittelbar das Abschrecken.
Beim Erhitzen zylindrischer Körper oder anderer Rotationskörper oder auch bei spielsweise von Körpern mit elliptischem Querschnitt oder dergleichen ist das konti nuierlich fortschreitende Erhitzen nur dort benutzt worden, wo es sich darum handelte, die gesamte Oberfläche eines Werkstückes oder Werkstückabschnittes grosser axialer Länge zu behandeln. Der Induktor ist hier bei als Spule ausgebildet und umfasst den Körper und die Relativbewegung zwischen Werkstück und Heizeinrichtung erfolgt in axialer Richtung.
,Im allgemeinen sind indessen zylindrische oder ähnliche Rotationskörper im kontinuierlichen Verfahren nicht behandelt worden, weil es bei diesen, wie beispielsweise Wellenzapfen von Kurbelwellen oder der gleichen, darauf ankommt, Abschnitte ver- hältnismässig geringer axialer Länge zu be handeln. Werkstück und Spule ruhen wäh rend der Behandlung und die Spule umfasst den gesamten Umfang der zu bearbeitenden Stelle ringförmig und besitzt eine Breite, die der axialen Länge der zu behandelnden Stelle entspricht.
Mit Vorrichtungen dieser Art sind für den angegebenen Zweck gute Erfolge erzielt worden und insbesondere, was die Behandlung der Lagerzapfen von Kurbelwellen oder son stiger Wellen anbelangt, wurde es von der Fachwelt als besonderer Vorzug dieses Ver fahrens begrüsst, dass ein Umlaufen des Werk stückes nicht erforderlich ist. Auch entfielen Schwierigkeiten, wie sie sich dann ergeben können, wenn Werkstücke mit zylindrischen Teilen, die jedoch zur Hauptsache ausmittig angeordnet sind, wie beispielsweise die Hub lager einer Kurbelwelle, so eingespannt wer den müssen, dass nur ein axialer Umlauf in bezug auf einen Festpunkt stattfindet, wie dies beispielsweise bei der Flammenerhitzung von Kurbelwellenlagerzapfen der Fall ist.
Das Verfahren, zylindrische Körper oder ähnliche Rotationskörper im ruhenden Ver fahren mit einer das Werkstück umfassen den Spule elektroinduktiv zu erhitzen, hat sich daher in weitestgehendem Masse in die Praxis eingeführt. Indes besitzt dieses Ver fahren Nachteile, und zwar sowohl elektri scher als auch metallurgischer Art. Die elek trischen Nachteile sind beispielsweise darin gelegen, dass die zu verwendenden Spulen im allgemeinen aufklappbar gemacht werden müssen, um das Werkstück in die Heizein- richtung einbringen zu können. Die Kontakt stellen verschleissen und geben zu Störungen Veranlassung, .die sich auch in einem un gleichmässigen Aufheizen auswirken können.
Für jede Werkstückabmessung muss eine ge sonderte Spule vorrätig gehalten werden. Ins besondere bei grossen Durchmessern der Werkstücke müssen grosse Spulen verwendet werden, für die eine hohe Leistung erforder lich ist, die entweder überhaupt nicht oder nur unter grossen Schwierigkeiten zur Ver fügung gestellt werden kann. Sofern der Zweck des Aufheizens die Erzeugung einer oberflächlichen Härteschicht ist, ergeben sich häufig Schwierigkeiten dadurch, dass sich die Stromfäden in der Nähe der Mitte der Spulenbreite zusammendrängen und infolge dessen an dieser Stelle des Werkstückes eine grosse Erhitzungstiefe und damit eine grosse Einhärtung hervorrufen, während in der Nähe der Ränder der Spule die Eindringtiefe der Erhitzung zu wünschen übrig lässt.
Wenn sich ausserdem an die zu behandelnde Stelle Hohlkehlen anschliessen, so gelingt es häufig nur unter Anwendung zusätzlicher Mittel, die Ströme zu zwingen, auch in diesen Hohl kehlen zu fliessen und dort eine Heizwirkung hervorzurufen. Diese Erscheinung ist die Folge davon, dass die induzierten Ströme parallel zum Werkstückumfang verlaufen. Dieser Stromverlauf ist auch dafür verant wortlich zu machen, dass beispielsweise au den Rändern schrägverlaufender Öllöcher Überhitzungen und damit Verbrennungen des Werkstoffes eintreten.
Des weiteren entste hen gewisse Schwierigkeiten dadurch, dass beispielsweise bei Kurbelwellen sich an die zu behandelnden Stellen ausmittige Werk stoffanhäufungen in Form von Kurbelwan gen, Exzenterscheiben oder dergleichen an schliessen. Diese exzentrischen Teile stören den Verlauf der induzierten Ströme, so dass Ungleichmässigkeiten in der Erhitzung ein treten. Um diese auszuschalten, ist schon vor geschlagen worden. Ausgleichstücke auf die Wangen bezw. Arme aufzusetzen: dies be deutet eine umständlichere Handhabung, ohne dass eine in jeder Beziehung wirksame Besei tigung der Schwierigkeiten möglich war.
Auch gewisse Unbequemlichkeiten muss ten in auf genommen werden, so insbeson dere die Tatsache, dass die umschliessende Spule eine Beobachtung der erzielten Tem peraturhöhe nicht gestattet. Störungen in der elektrischen Anlage, die ein mangelhaftes Aufheizen zur Folge haben, werden daher erst erkannt, wenn das fertige Werkstück der Prüfung unterworfen wird.
Es hat sich nun gezeigt, dass beim Er hitzen von Werkstücken, zum Beispiel in Form von Rotationskörpern, diese Schwierig keiten vermieden werden können, wenn vom ruhenden Verfahren mit einer das Werkstück umfassenden Spule abgegangen und statt dessen eine Leiterschleife verwendet wird, die in Umfangsrichtung gesehen höchstens die Hälfte der Mantelfläche überdeckt und das Werkstück während des Erhitzens mehrmals um seine Achse umläuft. Erfindungsgemäss wird daher eine Leiterschleife vorgeschlagen, die nachgiebig mit Abstand gegen die Ober fläche des Werkstückes angedrückt wird.
Die Leiterschleife überdeckt höchstens die Hälfte der Mantelfläche. Das Werkstück läuft wäh rend des Erhitzens mehrmals um seine Achse um, und zwar so lange, bis die erwünschte Temperatur erzielt ist.
Im nachfolgenden wird an Hand der bei gefügten Zeichnung, die Ausführungsbei spiele einer Vorrichtung gemäss der Erfin dung darstellt, die Erfindung näher erläu tert, in Einzelheiten ergänzt und die Vorteile aufgezeigt, die mit einer solchen Vorrichtung gegenüber den bekannten Massnahmen zu er zielen sind.
In den Fig. 1 und 2 ist eine Ausbildungs form der Erfindung dargestellt, wobei Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch die Heiz- vorrichtung und gleichzeitig durch das Werk stück darstellt. Das Werkstück ist im Bei spiel der Lagerzapfen einer Kurbelwelle, an den sich exzentrische Wangen anschliessen. Fig. 1 stellt einen Schnitt längs der Linie A -B (Fix. 2) in Pfeilrichtung gesehen dar. Der Lagerzapfen 1, der seitlich von den un symmetrischen Wangen 2 begrenzt wird, soll auf seiner ganzen Länge oberflächlich er wärmt und durch Abschrecken gehärtet wer den.
Hierzu ist eine Leiterschleife 3 vor gesehen, die aus flachem Kupferrohr ge bogen ist. Der Strom wird durch die Zu leitungen 4 zugeführt, die bei 5 gegenein ander isoliert sind. Die Zuführungen diener gleiehzeitig zur Zuführung des Kühlmittels, das bei 4a abgeleitet wird.
Die Leiterschleife 3 ist in einen Kasten 6 aus flüssigkeitsfestem Isolierwerkstoff ein gelassen und wird von diesem getragen. Der gasten besitzt eine Zuleitung 9 für die Ab schreckflüssigkeit, die durch das siebartig durchlöcherte Teil 7 auf die Werkstückober fläche austreten kann. Der gasten 6 ist mit Abstandhaltern 8 versehen, die dafür sorgen, dass ein. Abstand zwischen Leiterschleife und Werkstückoberfläche aufrecht erhalten bleibt. Sie haben im Beispiel die Form von Rollen; sie können aber auch als Kugeln, Gleitschie nen oder dergleichen ausgebildet sein.
Die Heizeinrichtung wird mit den Abstandhal tern an die Werkstückoberfläche angedrückt, und zwar entweder unter Vermittlung von Federn, die der Einfachheit halber nicht dar gestellt sind oder hydraulisch, wie dies im Zusammenhang mit der noch zu beschreiben den Fig. 3 vorgesehen ist.
Die Wirkungsweise ist folgende: Gleich zeitig mit dem Einschalten des Erregerstro mes für die Leiterschleife 3 wird der Zapfen 1 in Umdrehung versetzt und läuft so lange um, bis die gewünschte Temperatur erreicht ist. Die Erreichung der gewünschten Tem peraturhöhe kann, da der grösste Teil des Zapfens ereiliegt, beobachtet werden. Es kann aber auch mit Hilfe eines optischen Pyro- meters die erreichte Temperaturhöhe selbst tätig festgestellt und dies zur selbsttätigen Schaltung der Einrichtung ausgenutzt wer den.
Ist die Temperatur erreicht, wird unter praktisch gleichzeitiger Abschaltung des Stromes das Abschreckmittel über die Zu leitung 9 bezw. das siebartige Teil 7 zuge führt, wobei der Umlauf des Zapfens auf recht erhalten wird. Je nach der Umlauf- geschwindigkeit des Werkstückes ist es in manchen Fällen zweckmässig, den Strom erst abzuschalten, nachdem bereits das Spritz- mittel austritt, um in allen Oberflächenteilen ein Abschrecken von der gleichen Tempera turhöhe zu gewährleisten.
Mit einer derartigen Leiterschleife und der grundsätzlichen Abkehr von dem ruhen den Verfahren ergeben sich erhebliche Vor teile, die zunächst darin gelegen sind, dass mit bedeutend geringeren Energien auszu kommen ist, da die induzierten Ströme nicht wie bisher gezwungen werden müssen, in der gesamten Oberfläche, sondern nur in Teilabschnitten zu fliessen.
Es ergibt sich zwar hierdurch eine Verlängerung der Be handlungszeit, die jedoch nur Bruchteile von Minuten ausmacht und somit nicht ins Ge wicht fällt. Vorteile ergeben sich noch insofern, als die Oberfläche und damit die erzielte Temperatur beobachtet werden kann und der Arbeiter sofort einschreiten kann, wenn sich Unregelmässigkeiten in der Zufuhr der elektrischen Energie ergeben, die eine mangelhafte Aufheizung zur Folge hätten.
Die Ungleichmässigkeiten, die durch die un symmetrischen Anschlussstücke 2 bei den bekannten Verfahren ausgelöst werden, glei chen sich von selbst aus, da der Verschieden artigkeit der Wärmeabfuhr im Bereich gro sser Begrenzungsmassen eine im entgegenge setzten Sinne verschiedenartige Leistungsauf nahme der Heizleiterschleife gegenübersteht.
Bei dem ruhenden Verfahren war es stets eine schwierige Aufgabe, ein aus konstruk tiven Gründen vielfach verlangtes Aufheizen bis in die Hohlkehlen hinein zu erreichen. Diese Aufgabe lässt sich bei dem beschrie benen Ausführungsbeispiel gemäss der Erfin dung in einfachster Weise dadurch lösen, dass die Seitenteile 3a der Leiterschleife, wie in Fig. 1- und 2 angedeutet, an den Begrenzungs flächen (Wangen 2) aufgebogen werden. Auch die Eindringtiefe der Ströme und damit die Eindringtiefe der Heizwirkung bezw. der Härtung lässt sich in einfachster Weise be einflussen.
Während bisher die Kopplung zwischen Werkstückoberfläche und Heizein- richtung verändert werden musste, wodurch der Leistungsfaktor ungünstig beeinflusst wurde, ergibt sich die Möglichkeit, durch ein Abstimmen des Verhältnisses der Länge der Schleife in Umfangsrichtung, das heisst also der Länge der Teile 3a zur Breite der Schleife, das heisst also zur Länge der Teile 3 die Ausbildung der Temperaturverteilung und entsprechend der Härteschicht zu beein flussen.
Je nachdem, wie dieses Verhältnis gewählt wird, ergibt sich eine starke Heiz- wirkung in der Zapfenmitte oder an den Zapfenenden. Diese Wirkungen können unterstützt werden durch geeignete Wahl der Eigenbreite der Teile 3 und 3a, die un tereinander verschieden gewählt werden kön nen. Weiterhin kann die Beeinflussung des Erhitzungsverlaufes und damit der Einhärte tiefe in axialer Richtung durch ungleiche Ausbildung des gegenseitigen lichten Abstan des der in axialer Richtung angeordneten, von Strömen entgegengesetzter Richtung durchflossenen Heizleiterteile (Fig. 1, 3) vor genommen werden.
Die Erzeugung verschiedener Eindring tiefen des Erhitzens kann in einfachster Weise ohne die Gefahr des Überhitzens an der Oberfläche durchgeführt werden, indem die Umlaufzeiten geändert werden. Es kann mithin selbst mit sehr hoher Frequenz der Stromerzeugungsanlage und dem damit ver bundenen hohen elektrischen Wirkungsgrad ohne Gefahr unter weitgehender Ausnutzung des Wärmeflusses gearbeitet werden. Über hitzungen und damit Überhärtungen an Boh rungen, Aussparungen und dergleichen sind infolge der Lage der induzierten Ströme in der Oberflächenschicht so gut wie ausge schlossen.
Rein mechanisch ergibt sich der Vorteil, dass für eine ganze Reihe von Rotations körpern, deren Durchmesser nicht zu grosse Unterschiede aufweist, die gleiche Leiter schleife benutzt werden kann, da die Abwei chungen in der Krümmung der Oberfläche und der Krümmung der Leiterschleife und damit die Erzeugung eines ungleichmässigen Kopplungsspaltes nicht schwerwiegend ins Cewicht fallen. In der Heizvorrichtung selbst entfallen Kontaktstellen mit den daraus erwachsenden Schwierigkeiten mechanischer und elektrischer Art und die Inbetriebnahme ist ausserordentlich einfach.
Es ist ferner im Gegensatz zu den früheren Vorrichtungen nicht erforderlich, an den Wangen, Bünden und dergleichen, sofern sie unsymmetrisch sind, mit Ausgleiehsstiicken zu arbeiten, die eine erhebliche Stromaufnahme aufweisen und ihrerseits zu Kontaktschwierigkeiten (Verschmoren an den Berührungsflächen zwi- sehen Wangen und Ausgleichsstücken und dergleichen) Veranlassung geben.
Gewisse Nachteile, die darin gesehen wer den könnten, dass das Werkstück axial um laufen und zu diesem Zweck besonders ein- gespannt werden muss, sind durch die ge gebenen Vorteile bei weitem aufgewogen. Durchbiegungen des Werkstückes werden durch das nachgiebige Anpressen der Heiz- einrichtung an die Oberfläche selbsttätig aus geglichen.
Bei der Behandlung beispielsweise von ausmittigen Hublagern bei Kurbelwellen ist es noch nicht einmal erforderlich, die Kurbelwelle exzentrisch einzuspannen, da die Heizeinrichtung gezwungen werden kann, die Bewegung eines solchen Hublagers mit zumachen. Zu diesem Zwecke werden die Ab standhalter um 120 versetzt auf dem Um fang aufgesetzt, so dass die Heizeinrichtung am Zapfen abgestützt ist.
Vornehmlich im letztgenannten Fall ist es zweckmässig, für besonders nachgiebige elektrische Zuleitungen zu sorgen. Eine sol che Vorrichtung ist in Fig. 3 dargestellt. Die Vorrichtung besteht aus einer Leiterschleife 10, die, wie gemäss Fig. 1 und 2 vorgeschla gen, auch in einem Kasten angeordnet sein könnte. Die Zuleitungen der Leiterschleife 10 führen zu Anschlussstücken 11, die bei 12 gegeneinander isoliert sind. Diesen Anschluss stücken wird der Strom durch bewegliche ge winkelte Bänder 13 zugeführt, die bei 14 gegeneinander isoliert sind. Sie enden an den eigentlichen feststehenden Zuleitungsstücken 15, die bei 16 gegeneinander isoliert sind.
Der Raum zwischen den mit -der Heizleiter- schleife beweglichen Teilen 11 und den fest stehenden Teilen 15 wird von einem Falten balg 17 umschlossen, der zweckmässigerweise aus schweissbarem Kunststoff, wie er bei spielsweise unter dem Namen Mipolam be kannt geworden ist, besteht.
Das Kühlmittel zum Kühlen der Heiz- leiterschleife wird bei 18 zugeführt und tritt nach Durchlaufen der Heizleiterschleife in den Faltenbalg ein, wodurch eine zusätzliche Kühlung der Zuführungen 13 erreicht wird. Die Kühlflüssigkeit tritt anschliessend durch die Stutzen 19 aus, die in den feststehenden Anschlussstücken 15 vorgesehen sind.
Auf diese Weise wird eine genügende Be weglichkeit der Heizeinrichtung gegenüber den Anschlüssen gewährleistet und darüber hinaus ist es möglich, das strömende Kühl mittel für die Heizleiterschleife zur Erzeu gung des notwendigen Anpressdruckes auszu nutzen. Wenn nämlich die Ablaufstutzen 19 mit verengten Querschnitten gegenüber den sonstigen Strömungsquerschnitten oder noch zweckmässiger mit einstellbaren Drossel ventilen versehen werden, ist es möglich, in dem Faltenbalg einen mechanischen Rück druck auf die Teile 11 bezw. der daran be festigten Heizleiterschleife in Richtung auf das Werkstück zu erreichen.
Die axiale Länge des zu behandelnden Werkstückes bezw. Werkstückabschnittes spielt keine wesentliche Rolle; denn im all gemeinen kann ohne Schwierigkeiten elek trischer Art die Abmessung der Heizleiter- schleife beliebigen axialen Längen des Werk stückes bezw. des zu behandelnden Werk stückabschnittes angepasst werden. Indes sind Fälle denkbar, in denen es zweckmässig erscheint, über eine bestimmte Länge der Heizleiterschleife in.
Achsrichtung des Werk stückes nicht hinauszugehen. In. einem sol chen Falle empfiehlt es sich, die Reizein- richtung auf einer Leitspindel zu führen, die eine Bewegung der Heizleiterschleife in Achsrichtung des Werkstückes ermöglicht.
Die Arbeitsweise mit einer derartigen Vor- richtung wäre die, dass während des Auf heizens das Werkstück um seine Achse um läuft und gleichzeitig die Heizeinrichtung eine Vorschubbewegung in Achsrichtung aus führt. Sofern der Zweck der Behandlung ein. Härten der Oberfläche ist, wird das Ab schrecken unmittelbar hinter der Heizvorrich tung zu erfolgen haben, wobei die Abschreck- vorrichtung den Vorschub der Heizeinrich- tung in an sich bekannter Weise mitmacht.
Es kann auch derart verfahren werden, dass die Heizvorrichtung in Richtung der Achse des Werkstückes an diesem ständig hin- und hergeführt wird, während das Werkstück umläuft. Diese doppelte Relativbewegung von Heizeinrichtung und Werkstück zueinan der wird so lange aufrecht erhalten, bis das Werkstück insgesamt die gewünschte Tem peratur angenommen hat, worauf, wenn eine Härtung erfolgen soll, das Abschrecken durchgeführt wird, wobei zweckmässig die Bewegung von Werkstück und Abschreck vorrichtung zueinander in entsprechender Weise aufrecht erhalten wird.
Vorrichtungen gemäss der Erfindung kön nen sowohl zur Behandlung von zylindri schen Körpern als auch zur Behandlung sol cher Körper benutzt werden, die einen nicht kreisförmigen Querschnitt, wie beispielsweise einen elliptischen Querschnitt oder derglei chen aufweisen. Besondere Vorteile bringt die Anwendung von Heizleiterschleifen ge mäss der Erfindung ausser bei der bereits er wähnten Behandlung von Kurbelwellen ins besondere bei Walzen, Rollen, Bolzen (bei spielsweise Kolbenbolzen) oder dergleichen. Ferner können sie Anwendung finden bei der Herstellung von Gleitlagern ohne oder mit Stützringen.
Im letztgenannten Fall können besondere Vorzüge deshalb erreicht werden, weil es möglich ist, das Lagermetall während des Erhitzens und während des Erstarrens nicht dauernd unter Einwirkung des Hoch frequenzfeldes zu halten, so dass hierdurch eine ständige gleichmässige Magnetisierung des gesamten Werkstückes nicht stattfindet. Auch bei der Behandlung von Werkstücken aus Stahl ist es vorteilhaft, dass sich das Werkstückteil nicht dauernd unter Einwir kung des Magnetfeldes befindet, sondern dass die Kraftlinien dauernd in andern Teilen der Oberfläche in verschiedenen Richtungen ver laufen.